Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Глава XIII. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ1. Теория химико-термической обработкиХимико-термическая обработка по сравнению с поверхностной закалкой, например высокочастотной, обладает некоторыми особенностями и преимуществами (уступая поверхностной закалке в производитель ности): 1. Независимость от внешней формы изделия. С одинаковым успехом можно обрабатывать и сложные, и простые по форме изделия, получая по всей поверхности упрочненный слой одинаковой толщины. При поверхностной же закалке внешняя форма изделия имеет большое значение, у многих деталей машин внешняя форма такова, что исключает возможность применения поверхностной закалки. 2. Большее различие между свойствами сердцевины и поверхности, чем при поверхностной закалке. При химико-термической обработке разница в свойствах определяется различием в строении и в составе, а при поверхностной закалке — только различием в строении. 3. Последствия перегрева поверхности могут быть устранены последующей термической обработкой, тогда как при поверхностной закалке перегрев не может быть устранен, так как она является последней операцией. Обычно при химико-термической обработке деталь помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частный случай) при химико-термической обработке происходят три элементарных процесса. Первый процесс — диссоциация. Протекает в газовой среде и состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Например
Степень распада молекул газа Второй процесс — абсорбция. Происходит на границе газ—металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент В способен растворяться в основном металле А. Проникновение насыщающего элемента вглубь — диффузия. Она характеризует третий процесс. В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая; по мере удаления от поверхности концентрация падает (рис. 254), глубина проникновения (у на рис. 254) будет представлять собой толщину слоя. Так обстоит дело, если диффундирующий элемент образует с металлом систему непрерывных твердых растворов. Если, однако, насыщающий элемент В образует с металлом А систему сплавов с ограниченной растворимостью и с химическими соединениями (рис. 255, а), то строение слоя будет определяться изотермическим разрезом диаграммы состояния этой системы при температуре диффузионного насыщения. Предположим, что системе (металл А и диффундирующий элемент В) соответствует диаграмма состояния, изображенная на рис. 255, и что насыщение происходит при температуре Если процессы диссоциации, абсорбции и диффузии протекают достаточно активно и времени достаточно, то на поверхности может образоваться слой твердого раствора
Рис. 254. Изменение концентрации диффундирующего элемента по глубине
Рис. 255. Система сплавов с ограниченной растворимостью и химическими соединениями: а — диаграмма состояния (заштрихованы однофазные области); б — распределение концентрации диффундирующего элемента и строение диффузионного слоя Если процесс насыщения протекает менее активно, то концентрация на поверхности не достигнет Различаются два вида диффузионного перемещения атомов в металлах: а) самодиффузия, когда происходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллической решетке; б) гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных (растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке. В первом случае в результате хаотического теплового движения отдельные атомы основного металла время от времени меняют места в своей кристаллической решетке, совершая перескок из одного положения в другое. Этот процесс перемещения однородных атомов происходит непрерывно и хаотически по направлению и не изменяет концентрации. Во втором случае перемещение инородных атомов происходит в направлении от мест высокой концентрации к местам низкой концентрации. Этот процесс совершается самопроизвольно, так как состояние с неравномерной концентрацией обладает большей свободной энергией, чем состояние с равномерным распределением растворенных атомов.
Рис. 256. Как осуществляется диффузионное перемещение атомов? Как указывалось ранее (см. гл. I), в любом веществе происходит флуктуация тепловых колебаний, в результате которой отдельные атомы приобретают значительно большую энергию, чем средний уровень энергии атомов, характеризуемый температурой данного тела. Эти атомы могут покидать равновесные положения в узлах решетки и перемещаться в междоузлиях, оставляя места в узлах решетки и перемещаться в междоузлиях, оставляя места в узлах решетки незанятыми. Атом, расположенный в междоузлии решетки, называется дислоцированным атомом (рис. 256), а узел в кристаллической решетке, не занятый атомом, называется, как уже говорилось в гл. I, вакансией. Для атомов вокруг вакансии или дислоцированного атома нарушается равномерность окружения атомами-соседями по сравнению с бездефектными участками решетки (см. рис. 257). В результате этого вокруг вакансии или вокруг дислоцированного атома возникает поле упругих искажений кристаллической решетки. Гипотетический механизм гетеродиффузии, который аналогичен механизму самодиффузии, описан Я. И. Френкелем и в настоящее время является общепринятым. Если по соседству с атомом А (см. рис. 256) имеется вакансия (дырка), то он может легко переместиться со своего места в дырку; на место атома А встанет атом В, на место атома В — атом С и т. д. Одновременно с перемещением атомов происходит как бы перемещение «дырки». Процесс гетеродиффузии удобнее описывать как перемещение инородных атомов, а процесс самодиффузии — как перемещение «дырок». Для того чтобы атом А перешел из своего исходного положения в соседнюю «дырку», он должен предварительно занять промежуточное положение в междоузлии. Работа, которая требуется для того, чтобы вырвать атом из регулярного положения, называется энергией активации (или теплотой разрыхления) и является важнейшей характеристикой способности атомов к перемещению. Величина эта не зависит от температуры, а определяется природой вещества.
Рис. 257. Зависимость коэффициента диффузии от температуры Влияние температуры, значительно ускоряющее диффузионные процессы, обусловлено тем, Что с повышением температуры увеличиваются тепловые колебания и благодаря этому увеличивается число «дырок» в решетке. Количественно процесс диффузии характеризуется так называемым коэффициентом диффузии Зависимость
где А — коэффициент, зависящий от кристаллической решетки; Так как Из уравнения (1) следует, что коэффициент диффузии разных веществ чрезвычайно сильно зависит от уровня энергии активации; чем больше В твердых растворах внедрения процесс диффузии облегчается тем, что не требуется вывода атома (иона) растворителя в иррегулярное положение, и поэтому энергия активации меньше, чем при образовании твердых растворов замещения. Например, при диффузии углерода в ужелезе
Рис. 258. Влияние на глубину слоя продолжительности диффузионного насыщения (а) и продолжительности цементации при различных температурах (б) Продолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемой глубиной диффузионного слоя. При постоянных параметрах процесса (температура и др.) увеличение глубины слоя Чем больше толщина уже имеющегося слоя, тем меньше он увеличивается за одинаковый отрезок времени. Некоторые особенности диффузии в металлах объясняются их кристаллическим строением. Анизотропия свойств кристаллов проявляется и в отношении способности к диффузии. Так, диффузия меди в гексагональном цинке протекает в разных направлениях с различной скоростью: в плоскости базиса быстрее, в направлении главной оси медленнее. В решетках с большой симметрией (кубические решетки) диффузия зависит от ориентации незначительно. Границы зерен являются участками, в которых диффузионные процессы облегчены ввиду наличия в этих местах дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего вещества в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. В случае значительной растворимости диффундирующего элемента в основном металле роль пограничных слоев повышенной растворимости уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.
|
1 |
Оглавление
|